Ciel bleu et rayon vert Le rayon vert (III) Beaucoup de récits relatent l'observation d'un rayon vert ou bleuté émis par le Soleil au moment du coucher, surtout de la part d'observateurs revenant de voyages en mer. Pour l'homme de la rue le rayon vert est tout simplement un mythe, pour d'autres c'est un phénomène inexpliqué et même pour certains astronomes amateur il s'agit d'un phénomène tout à fait banal... Tout cela est faux !

Malgré la couverture quelque peu mythique qui enveloppe le "rayon vert" je dois malheureusement décevoir certaines personnes car de mythe ou de phénomène inexpliqué il n'en est point. Le rayon vert est un phénomène atmosphérique qui se manifeste au coucher ou au lever du Soleil et non pas comme on le lit encore quelquefois uniquement après le coucher du Soleil. Et de fait lorsqu'il est près de l'horizon on peut observer une discrète lueur verte à son sommet ou un dernier flash vert avant qu'il ne disparaisse.

A gauche apparition du rayon vert au coucher du Soleil précédé par un mirage inférieur lié à une inversion thermique près du sol. Photographie composite réalisée avec un téléobjectif de 200 mm par Thomas "Hank" Hogan et publiée dans le magazine Physics Today en décembre 1999. A droite le rayon vert photographié en mars 1992 sur la plage d'Oahu à Hawaii par Park McGraw. Cliquer sur l'image pour l'agrandir.

En anglais le terme "rayon vert" est traduit par plusieurs substantifs "green flash", "green ray" ou "green beam". Mais le mot anglais "flash" est également synonyme en français de lampe torche, d'éclair, de lumière clignotante ou de phare d'où une certaine ambiguïté quand il faut décrire avec précision un phénomène optique. Etant donné l'usage du seul terme "rayon vert" en français, il est difficile de le remplacer par un autre mot plus approprié, fonction la durée ou de l'étendue du phénomène (lumière, flash, etc). Aussi dans cet article je conserverai la dénomination francophone habituelle.

L'histoire au service de la science

Les plus anciennes traces historiques de ce phénomène, hormis les effets optiques liés à la réfraction atmosphérique, remontent à l'observation de Sir George Back relatée dans son récit de voyage en Arctique "Narrative of an expedition in H. M. S. Terror, undertaken with a view to geographical discovery on the Arctic shores, in the years 1836-7" p191. Le 17 janvier 1827 il notait dans son journal "Dans la matinée cependant, à 9h45, pendant que nous étions montés sur un promontoire élevé de 5m, j'observais le limbe supérieur du Soleil alors qu'il remplissait une crevasse située sur la crête du cap de la plus brillante couleur émeraude, un phénomène dont je n'avais jamais été témoin dans ces régions".

Simulation du rayon vert A gauche le rayon vert simulé dans l'atmosphère standard et à 4m au-dessus du niveau de la mer; un cas d'école qui ne se produit pratiquement jamais. Au centre une simulation plus réaliste d'un rayon vert observé à 45 m au-dessus du niveau de la mer montrant un faux mirage suite à une inversion thermique entre 20 et 25m d'altitude. A droite un mirage inférieur accompagné du rayon vert. Cliquer sur les images pour lancer les animations (GIF de 37 à 55 KB). Simulations réalisées par Andrew T.Young/SDSU.

Quelques années plus tard, en 1869, James Prescott Joule relata l'observation suivante dans une lettre adressée à la Société Littéraire et Philosophique de Manchester. Il nota tout d'abord "A l'instant de la disparition du Soleil sous l'horizon, [on aperçut] un dernier éclat de couleur vert-bleuté". Comme en témoigne les simulations reprises ci-dessus ce rayon vert est associé au mirage inférieur, ce phénomène de réfraction familier que tout le monde a observé soit sur une route surchauffée par le Soleil soit dans le désert. Ce phénomène optique est provoqué non pas par une inversion thermique mais par le phénomène inverse, un gradient super adiabatique au-dessus d'un sol surchauffé. Ce phénomène apparaît d'autant mieux lorsque l'observateur se place quelques mètres au-dessus du niveau de la mer et il sera d'une couleur plus saturée encore et plus dense si l'observateur se place à quelques centaines de mètres de hauteur où le rayon se réduira à un fine trait vert sur l'horizon.

L'inversion thermique dans les basses couches ou un gradient super adiabatique au sol (voir schéma) participe à l'apparition du rayon vert mais dans le cas du faux mirage, le plus important c'est la pente de la courbe de température. Une différence de 0.02256°C à l'altitude où se produit l'inversion de température comme indiqué sur le graphique suffit à produire un rayon vert. Plus le lissage gaussien de la pente est important (2m dans notre exemple), plus le rayon vert sera apparent. Document Andrew T.Young/SDSU.

James P.Joule observa également que "juste à la limite supérieure, là où les bandes du disque solaire sont séparées les unes des autres par la réfraction, chaque bande pris une couleur bleue juste avant de disparaître". Cette seconde forme de rayon vert est associée à des faux mirages provoqués cette fois par une inversion thermique dans les basses couches, sous le niveau des yeux. C'est la raison pour laquelle ce type de rayon vert apparaît surtout depuis des sites élevés, comme par exemple à l'Observatoire du Mont Wilson en Californie situé à 1740 m d'altitude et faisant face au bassin de Los Angeles.

Enfin, à la fin du XIX^eme siècle il faut rappeler que c'est Jules Verne dans ces récits de voyage fantastiques qui attira l'attention des scientifiques français sur le sujet et qui rendit possible une discussion cohérente sur ce qui semblait encore être à cette époque l'un des derniers mythes populaires, à l'image des pierres qui tombait du ciel...

Qu'est-ce que le rayon vert ?

Le rayon vert peut apparaître sous six ou sept formes différentes dont deux sont relativement communes. Soit le rayon vert est visible quelques secondes avant ou après le coucher du Soleil soit il peut apparaître alors que le disque du Soleil est encore bien visible au-dessus de l'horizon comme en témoigne les images présentées ci-joint. Dans sa deuxième forme je dis bien rayon vert car le disque solaire garde sa couleur ordinaire mais il peut être surmonté ou légèrement cerclé d'un fin arc de cercle verdâtre.

Type Caractéristiques Conditions Meilleure observation Flash associé au mirage inférieur Oval et base aplatie, dure environ 2 secondes Surface plus chaude que l'air adjacent  3 à 5m au-dessus de la mer Flash du faux mirage Appendice se détachant du sommet du disque du Soleil; dure de 2 à 5 sec, parfois même 15 sec Couche d'inversion atmosphérique sous le niveau des yeux Plus l'observateur est situé haut plus il est probable; le flash est d'autant plus visible lorsque les yeux sont situés juste au-dessus de la couche d'inversion Flash du sous-canal Une grande partie du limbe supérieur du Soleil couchant devient vert jusqu'à 15 secondes Forte inversion thermique Dans un intervalle de hauteur réduit situé juste sous un canal thermique. Peut apparaître à n'importe quelle altitude. Rayon vert Le rayon lumineux semble émis par un phare vert. Peut apparaître juste après le coucher du Soleil. Peut s'étendre sur quelques degrés mais ne dure que 2-3 secondes. Brume légère, l'un des types de "rayon vert" mentionné ci-dessus agissant comme source lumineuse. Bord de mer Rayon vert du sommet des nuages Le rayon coloré est en général émis en présence de brume côtière au coucher du Soleil mais parfois aussi au-dessus de nuages cumuliformes éloignés. Brume légère ou cumulus lointains ? Flash d'Alister Fraser Variante du faux mirage Les inversions sont poussées au-dessus du relief par un mécanisme orographique Relief propice aux phénomènes nuageux orographiques Source : Andrew T.Young

Le spécialiste américain Andrew T.Young de la San Diego State University qui a réalisé une étude approfondie sur le sujet nous rappelle que la plupart des observations (2/3-3/4) concernent le rayon vert associé au mirage inférieur. Les autres observations concernant les flashes associés aux faux mirages (mock-mirage).  Les phénomènes restants comme le flash du sommet des nuages et le flash d'Alister Fraser sont mal connus et rares. Ils représentent moins de 1% de toutes les observations. Avis aux observateurs...

Deux images d'un rayon vert suivant un mirage inférieur. A gauche, le rayon vert photographié à Shonaihama dans la préfecture de Yamagata au Japon en septembre 1993. A droite, le rayon vert qui apparut quelques minutes après le 4eme contact lors de l'éclipse solaire totale du 21 juin 2001 à Madagascar. Documents Hiroyuki Murata et Astronomical Tours.

Prochain chapitre

L'effet de la réfraction

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